信息科学发展趋势

1、第二讲 信息科学发展简史参考文献参考文献信息与软件工程学院目 录1、信息科学技术的辉煌2、对信息科学技术的新认知3、信息科学技术面临重大突破4、我国的战略机遇5、总结信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v信息技术的发展水平影响着国家的核心竞争力,信息技术是当今世界经济社会发展的重要驱动力v信息技术由计算机技术、通信技术、微电子技术、光电子技术、信息安全技术、智能技术与软件技术等组成v计算机技术与通信技术作为信息技术的基础和关键技术，在微电子技术的推动下，引领着信息技术的高速发展与广泛应用，成为推动当今世界经济与社会发展的重要动力信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v在推进信息化的过程中

2、需要大量的计算机设备、网络设备、通信设备与各种软件，需要有信息服务业的技术支持，这促使信息产业高速发展v到了21世纪，互联网已经和电力、电话、高速公路一样，成为一个国家或地区重要的基础设施v今天人类所享受的一切现代文明，无一不直接或间接地与信息技术相关v当代的经济与社会发展在很大程度上都取决于信息产业的发展信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v当代科学技术的创新性研究在很大程度上依赖于信息技术v2005年，美国总统信息技术顾问委员会提交了一份题为计算科学确保美国的竞争力的报告v这份报告将计算科学提升到影响国家核心竞争力的高度v报告指出：利用计算科学先进的计算能力和方法来理解和解决复杂问题，

3、是提高科学研究水平、增强产业竞争力和确保国家安全的关键信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v信息科学技术取得了辉煌的成就 从2006年起，信息产业成为世界第一大产业 信息改变着人类的生产方式、工作方式、学习方式与思维方式。离开计算机、网络、手机、电视等电子信息产品人们将无法生活和工作 信息成为最活跃的生产要素和战略资源v信息论、控制论、系统论、图灵机、冯诺依曼、计算理论等理论支撑了信息科学技术几十年的辉煌信息与软件工程学院v基本假设 信息可编码到纸带上v度量指标 时间复杂度 空间复杂度v变形与推广 Oracle图灵机 概率图灵机信息与软件工程学院信息科学v信息技术（Information

4、Technology , IT），是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。它主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。它也常被称为信息和通信技术（Information and Communications Technology , ICT）。研究信息技术的学科则统称为信息科学，信息科学与信息技术并称信息科技。20世纪下世纪下半叶信息技半叶信息技术发展迅猛术发展迅猛21世纪上半叶世纪上半叶信息科学将取信息科学将取得突破性发展得突破性发展21世纪下半叶将世纪下半叶将出现一次新的出现一次新的信息技术革命信息技术革命信息技术的基础理论大部信息技术的基础理论大部

5、分是分是1960年代以前完成的年代以前完成的，近，近40年信息科学没有取年信息科学没有取得重大突破得重大突破信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v信息技术的基础理论大部分是20世纪60年代以前完成的，近40年来信息科学没有取得重大突破 1945年，“计算机之父”冯诺伊曼提出的计算机体系结构，仍然是今天我们设计计算机必须遵从的基本设计原则1. 1950年，“人工智能之父”图灵提出了人工智能的基本概念，以及判断计算机是否具有智能的“图灵测试”方法。人工智能技术诞生的时间可追溯到20世纪50年代中期信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v信息技术的基础理论大部分是20世纪60年代以前完成的，近

6、40年来信息科学没有取得重大突破 1969年，光计算机的研究出现。量子计算的概念是20世纪70年代提出的。1983年开始了生物计算机的研制 20世纪60年代末出现的Pascal语言是计算机语言发展史上的一个重要里程碑。面向对象程序设计语言是20世纪70年代初出现的3. 可穿戴计算的概念是20世纪60年代提出的。嵌入式系统的研究开始于20世纪70年代信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v 信息技术的基础理论大部分是20世纪60年代以前完成的，近40年来信息科学没有取得重大突破计算机网络的核心概念“分组交换”是1964年提出的。互联网的雏形ARPANET于1969年开始组建和运行。TCP/IP

7、协议在1980年开始正式成为网络协议标准。无线分组网的研究开始于1972年移动通信技术的研究开始于20世纪20年代。1978年蜂窝移动通信网问世6. 1945年，科学家提出了利用卫星进行通信的设想。1962年，第一颗可以用于电话和电视传输的通信卫星发射成功信息与软件工程学院一、信息科学技术的辉煌v 信息技术的基础理论大部分是20世纪60年代以前完成的，近40年来信息科学没有取得重大突破 1833年，科学家发现了半导体性质，1931年提出了能带理论，1939年发明了纯净晶体的生长技术和掺杂技术。1947年第一个点接触型晶体管诞生。1950年单晶锗结型晶体管诞生。1958年世界上第一块集成电路问世

8、9. 1966年光导纤维通信理论提出。1981年第一个光纤通信系统问世信息与软件工程学院二、对信息科学技术的新认知1、从重视信息科学技术的内涵转向更重视其外延 信息科学技术已经成为一种通用技术，而且是与很多学科相关的交叉型科学技术 与社会、健康、能源、材料等领域的联系更加紧密 二十一世纪，信息科学技术更像能源一样，成为人类社会的基础之一。就像水、电、油一样，与所有行业、所有人都相关，成为一种基础资源、基础设施信息与软件工程学院二、对信息科学技术的新认知 美国工程院列出21世纪工程科技14项重大挑战建立人体健康信息系统提升虚拟世界的实体感利用核聚变能量提高人类自学能力太阳能的普遍应用可持续发展的

9、城市规划捕捉与储存温室效应气体 这都不是单纯的信息处理和通信技术，而是信息领域与其它领域的交叉控制氮循环，有效利用废弃物对人脑的逆向工程开发基因药物防止核恐怖事件发生保障网络空间安全推动自然科学的发展使全球民众喝上洁净水信息与软件工程学院 信息科学技术更加重视惠及大众 重视对生态和环境的影响 重视与人类健康的信息技术 重视信息科学与纳米、生命、认知的交叉研究 重视与人文艺术的结合 重视信息科学技术的伦理道德，法制管理与监督二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院2、从狭义工具论转向计算思维 长期以来，计算机和信息网络被社会看成是一种高科技工具，计算机科学技术这门学科也被构造成一门专业性很强

10、的工具学科“高科技”意味着认知门槛高、成本高，“工具”意味着它是一种辅助性学科，并不是能够满足国家经济社会发展、满足人民经济文化需求的主业这种狭隘的认知是信息科技向各行各业渗透的最大障碍，对信息科技的全民普及极其有害二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院 需要在全社会传播和普及“计算思维”（Computational Thinking) 计算思维是一种普适思维，计算是每个人的基本技能 计算思维强调一切皆可计算，从物理世界到人类社会模拟，再到智能活动，都可计算 计算思维是概念化思维，不是纯数学思维；是面向所有人的思维，不仅仅是计算机科学家的思维二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院3

11、、从人机共生思想转向基于三元世界模式的新信息世界观 目前的信息系统基于40年前提出的人机共生思想人做直觉的、无意识的事计算机做有意识的、确定的、机械的操作 今天是多人、多机、多物组成的动态开放网络社会物理世界、信息世界、人类社会组成三元世界这是一种新的信息世界观二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院人人 类类 社社 会会 物理世界物理世界人机界面（终端设备）人机界面（终端设备）脑机界面脑机界面传感器网传感器网 CPS网络互联的服务器网络互联的服务器和其他资源和其他资源虚拟信息世界虚拟信息世界信息与软件工程学院 三元信息世界给我们提出一系列的新问题：万维网可看成一台计算机系统吗？万维网的可

12、计算性是什么？三元世界中的“计算”如何定义？三元世界中的计算模型还是图灵机吗？ 今后几十年内计算机科学将面临重大挑战，同时也面临着重大突破的机遇！二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院4、研究重点发生重大转变 长期以来的主要目标是提高信息器件和系统的性能摩尔定律：集成度的提高定律：通信速率的提高 用户陷入不断地购买“升级”之中二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院 CPU芯片上的零件密度每18个月增加1倍1971年Intel 4004芯片 2300个晶体管 目前Intel酷睿2双核芯片晶体管数量达到上亿数量级CPU的性能每18个月提高一倍，价格下降一半性能越来越快，价格越来越便宜；

13、应用领域越来越广泛摩尔定律信息与软件工程学院摩尔定律：即将失效？l 摩尔定律将可能在2014年到达极限，芯片制造的成本越来越高，尺寸已处于极限小，可能是导致摩尔定律失效的最大威胁信息与软件工程学院大规模网络应用的核心定律v吉尔德定律(Gilders Law)：在未来25年，主干网的带宽每6个月增长一倍，其增长速度是摩尔定律预测的CPU增长速度的3倍未来学家和分析家乔治吉尔德 v随着带宽的增加，将会有更多的设备以有线或无线的方式上网v这些设备本身并没有什么智能，但大量这样的“傻瓜”设备通过网络连接在一起时，其威力将会变得很大信息与软件工程学院4、研究重点发生重大转变 今后将主要致力于降低功耗 信

14、息领域已成为世界第六大能耗源提高易用性性能二、对信息科学技术的新认知信息与软件工程学院1、信息科学技术面临新革命 信息论、控制论、系统论、图灵机、冯诺依曼、计算理论等理论支撑了信息科学技术几十年的辉煌 许多信息科学的基本理论没有解决 这些理论已经呈现出一些局限性不能解释网络中的许多问题没有研究信息处理的安全问题 现在信息领域普遍存在技术超前理论滞后的现象三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院v 目前的主流计算机科学教科书认为：图灵机不能做的事情将来的计算机也不能做v 图灵计算被看作是从输入到输出的函数，不终止的计算被认为是没有意义的v 在网络环境中，计算主体（进程）在与外界不断交互的过

15、程中完成所指定的计算任务。对于这类交互式的并发计算，传统的基于函数的计算理论不再适用v 如何为实际并发系统的设计与分析提供坚实的理论基础，在今后几十年内是计算机科学面临的重大挑战v 算法研究的重点应从单个算法的设计分析转向多个算法的交互与协同信息与软件工程学院 根据前苏联经济学家康德拉季耶夫提出经济长波理论，预测二十一世纪上半叶信息科学将取得突破性进展下半叶将出现一次基于这种突破的新的信息技术革命 我们的教学、科研和人才培养应当迎接和顺应这种信息科学的突破三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院R. Fremann et al. “Principle Concepts of Techno

16、logy and Innovation Management“，2008 信息与软件工程学院 信息技术不会像机械和电力技术一样，经过半个世纪的高速发展后，变成以增量为主的传统产业技术。而是要面临一次新的革命 21世纪，信息科学技术将与生物、纳米、认知等科学交织在一起，继续焕发蓬勃生机，引领和支撑国民经济，改变人们的工作和生活方式 信息、生物、纳米、认知中任两个或多个交叉融合，都将产生意想不到的突破！ 三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院2、突破的症候 不论是集成电路、高性能计算机、互联网、存储器，2020年前后都会遇到仅靠现有技术难以逾越的障碍(信息技术墙)。这孕育着新的重大科学问题

17、的发现和原理性突破 信息技术墙挖掘并行性和可扩展性的困难信息处理的高能耗复杂信息系统安全可靠性低三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院 硬件困难：到2020年，摩尔定律不再有效，CMOS技术遇到严重挑战。超级计算机的千倍定律也不再有效，2030年前无法造出1021flop级的超级计算机 大规模并行和三元世界编程困难：今后的PC就是并行计算机，现有的软件理论和方法大多是面向串行计算的，不适合表达三元世界 海量数据存储处理困难：存储硬件的能力增长到2020年会逐渐停止。而数据量的增长却与日俱增 信息网络成本困难：系统复杂，成本高，能耗高 安全可靠困难：安全，可靠，可信三、信息科学技术面临重

18、大突破信息与软件工程学院 信息技术必须有以下突破在扩展性方面，要可扩展到亿级甚至百亿级、千亿级的并行度在易用性方面，要惠及数十亿用户在低功耗方面，性能功耗比要提高几个数量级在安全可靠方面，要有获得安全可靠的高可信系统的理论与技术三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院 突破过程中将陆续产生一些新的研究方向扩展并行性产生量子计算、DNA计算、光计算、分子计算普惠性产生普适计算、云计算低功耗产生绿色计算安全可靠性产生可信计算，自律计算三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院3、突破的症候 信息与物理学的交叉：量子信息论与量子计算机 量子计算具有天然并行性，一个操作执行2n个状态，具有指

19、数级处理能力，所以可以用多项式时间解决指数复杂度问题 2007年2月加拿大的D-Wave System公司宣布研制出世界上第一台商用16量子位(qubit)的量子计算机 2008年5月，又提高到48qubit，而且公布了量子处理器、设备内部和设备外形的照片 D-wave公布了128qubit的量子处理器的CAD图三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院量子计算机三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院v如果量子计算机可以实用，则可攻破许多现有密码 1024位的量子计算机可以攻破256位的ECC 2048位的量子计算机可以攻破1024位的RSA v量子计算攻击算法 1994 年Sho

20、r 提出了著名的Shor 算法，能以多项式时间攻击所有能够转换为广义离散傅里叶变换的公钥密码，包括RSA、ElGamal 和ECC 最近的研究扩展到一般情况下的隐藏子群问题HSP求解 ，HSP求解方法的有效攻击范围比Shor算法更宽v量子计算机的出现是伟大的，位数的提升只是时间问题v量子计算时代我们用什么密码？是摆在我们面前的紧迫战略需求！三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院信息与生物学交叉：生物信息论与DNA计算机v 1994年美国加州大学的L.Adleman提出DNA计算的思想，并在液体中进行实验v DNA计算的基本思想 以DNA碱基序列为信息编码的载体，利用现代分子生物学技术，

21、在控制酶的作用下，进行DNA序列反应。反应前的DNA为输入，反应后的DNA为输出v DNA计算的特点高度并行：运算速度快，1.21018次/s，是目前最快的计算机1.2106倍节能：能耗是目前超级计算机的1/1018 存储密度高：每（纳米）3存储1bit，而现在的存储介质每（纳米）12存储1bit三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院v 2003年以色列研制出可玩游戏的人机交互DNA计算机v L.Adleman用DNA计算机求解了一个24个未知数、100万种可能性的数学难题注意: 能求解数学难题，就可能破译密码v DNA计算与量子计算类似，具有天然并行性，具有指数级处理能力，所以可以用

22、多项式时间解决指数复杂度问题v DNA计算机对现有密码同样构成严重挑战v 我国学者提出DNA密码（对称和非对称），DNA密码基于生物学困难问题，不依赖于计算，所以对计算机的进步是免疫的三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院光计算机v 光通信和光存储已经十分成功，广泛应用v 光计算技术尚不成熟v 如果光计算突破，则可构成光计算机分子计算机v 科学家用碳纳米材料制成逻辑电路，为分子计算机准备了一些基础v 逻辑电路是计算机的基本部件，能制造逻辑电路，就有可能制造分子计算机三、信息科学技术面临重大突破信息与软件工程学院v 2005年瑞士洛桑高等理工学院（EPFL) 启动了一项雄心勃勃的科研计划

23、Blue Brain。该计划使用了IBM的 Blue Gene计算机(每秒22.8万亿次浮点运算)，模拟老鼠的大脑新皮层单元中10000个神经元行为v 人类大脑中复杂的物理结构以及随时变化的化学成分增加了模拟的难度，模拟记忆“液态计算”技术也许会为硅片电路带来新的发展方向v IBM以采用蓝色基因超级计算机对大脑皮层II/III 层的22,000,000神经细胞和 110,000,000,000 突触进行模拟。今年IBM从DARPA得到490万美元的资助，与斯坦福等大学合作研制类脑计算机信息与软件工程学院v德国海德堡大学正在协调欧盟支持的FACETS项目，该项目汇集了来自7个国家15个研究院所的

24、科学家，构建一台像大脑一样工作的神经计算机v第一步就是在单个芯片上建立一个由300个神经元和50万个突触组成的网络。第二期的新网络中将包含了20万个神经元和5000万个突触，用模拟电路实现神经元、数字电子实现通信。研究小组在20厘米的单硅片上建立了该网络 v这个系统要比生物等效法快10万倍，比软件模拟快1000万倍信息与软件工程学院1、形势v 2020年前探索攻克“信息技术墙”v 20202035年将是信息科学技术改天换地的大变革期v 20352050年新的信息网络体系将逐步形成四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 构建“普惠泛在的信息网络体系(U-INS)”v 从e社会发展到u社会

25、Universal 普及全民、惠及全民User-Oriented 面向用户Ubiquitous 服务无处不在四、我国的战略机遇信息与软件工程学院信息与软件工程学院2、总目标 构建“普惠泛在的信息网络体系(U-INS)”v U-INS支撑网络，具有变革性的器件与系统普及全民的网络系统安全可信、个性化的网络服务支持数据知识产业新的网络科学和信息科学国家与社会信息网络安全体系四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 信息科学理论的变革v 20世纪中期的理论，支持了如何设计、构造、应用计算机v 21世纪将产生新的理论，支持如何设计、构造、应用网络。因此新的理论可能是网络论(Net Theory)

26、把网络看成一个复杂巨系统，发现其中的规律四、我国的战略机遇信息与软件工程学院 小世界现象 无标度：二八定律和长尾分布 不均匀性（高集聚性） 脆弱性和鲁棒性并存 级联失效和连锁崩溃网络科学告诉我们，互联网、万维网等现实世界网络科学告诉我们，互联网、万维网等现实世界中的网络具有下列特性中的网络具有下列特性四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 信息科学理论的变革v 网络论(Net Theory)历史上没有人设计互联网，它是自己演化涌现(emerge)形成的。未来的网络论建立在对网络的深刻理解上，不仅要理解网络的协议层，更要理解网络的动力行为、可控性、安全性、健壮性（这就是可信网络），及其演

27、化规律网络论是研究人机物三元世界的网络规律、表达模型和计算理论的新兴学科，是经济、社会等和信息科学交叉形成的新理论体系四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 信息科学理论的变革v 美国未来互联网设计计划FIND，着眼未来网络，提出5个问题网络是否要继续使用分组交换端对端原理是否要改变。端对端原理提出者Clark教授2009年又提出，把E2E改为T2T(Trust to Trust)，应用的智能不一定在终端，而是放在足够可信的能正确完成任务的设备上路由和包转发是否要分开拥塞控制和资源管理身份认证和路由问题v 未来网络的设计不是一个具体的人造物品，而是设计一个环境，使之能引发出我们希望出现

28、的网络产品与服务四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 无处不在的物联网（Internet of Things）v 物联网：把物联成网感：感知物理世界和社会，获取信息传：传输信息知：组织、管理和应用信息v RFID和传感器感知物理世界和社会，网络传输信息，物联网组织、管理和应用信息v 物联网是数字世界与物理世界交互的网络，主要功能是监视和控制四、我国的战略机遇信息与软件工程学院物联网的三个特征信息与软件工程学院2、总目标 无处不在的物联网（Internet of Things）v 物联网的起源1999年，麻省理工学院Auto-ID研究中心首次提出2005年，国际电信联盟（ITU）发布年

29、度报告The Internet of things四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 无处不在的物联网（Internet of Things）v美国，“智慧地球”国家发展战略 v欧盟，物联网行动方案“Internet of Things -An action plan for Europe” 四、我国的战略机遇信息与软件工程学院2、总目标 无处不在的物联网（Internet of Things）v 我国，发展物联网已成为国家战略2009年8月，温总理提出“感知中国”理念2010年3月，政府工作报告将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点产业振兴 2010年国家重点基础研究发展计划和国

30、家重大科学研究计划将物联网作为重点支持的研究方向四、我国的战略机遇信息与软件工程学院物联网物联网应用应用移动移动POS金融金融供应链供应链智能运输智能运输工业自动化工业自动化智能建筑智能建筑消防消防公共安全公共安全环境保护环境保护气象气象数字化医疗数字化医疗遥感勘测遥感勘测军事军事农业农业林林业业水务水务电力电力煤炭煤炭石化石化物流、零售、自动服务物流、零售、自动服务设备、安全、节能设备、安全、节能生产、安全、防灾、水电油气生产、安全、防灾、水电油气防火、勘察、报警防火、勘察、报警污染检测、报警污染检测、报警水质、水量、污染、安水质、水量、污染、安全全大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪抄表、监控、节能抄表、监控、节能设备、临床、辅助诊断、病程设备、临床、辅助诊断、病程险情、油井、运输、管险情、油井、运输、管线线联动、消防栓、定位、调度联动、消防栓、定位、调度照明、信号、应急、灾害、识照明、信号、应急、灾害、识别别大地勘测、森林、地震、海洋大地勘测、森林、地震、海洋侦查、监控、定位、评估侦查、监控、定位、评估降水、防洪、远程设备降水、防洪、远程设备交易、订单、跟踪、识别交易、订单、跟踪、识别通风、瓦斯、救灾定位通风、瓦斯、救灾定位库存、车队、监控、导航、识别、货库存、